并网最小负荷逻辑问题研究及优化方案

崔凯

福建宁德核电有限公司 福建福鼎 355209

摘要

针对宁德核电汽轮发电机组差频并网后最小负荷不确定的现象，阐述了最小负荷生成逻辑的不合理性，分析了并网后最小负荷不确定带来的危害，结合汽轮机控制原理、发电机并网原理及实际并网经验提出了优化方案。

关键词：并网，最小负荷，转速偏差，蒸汽需求量

1. 引言

宁德核电汽轮发电机组因GRE控制逻辑中并网后最小负荷的不确定性，在每次并网后带上的实际最小负荷并不是固定值，且变化量无法预估，需优化最小负荷生成逻辑，确保并网后反应堆及汽轮发电机组的安全运行。

2. 背景

宁德核电汽轮发电机组从安装调试以来，一直存在并网最小负荷不确定的问题，另由于中压缸调节阀控制逻辑存在惯性环节，不会立即开到需求开度，加上蒸汽做功转化为电能需要一定的时间，导致并网瞬间带上负荷后，负荷继续缓慢上升。惯性环节及做功转化为电能期间的升功率速率无法由操纵员控制。最小负荷的不确定性与不受控的升功率速率会影响并网后反应堆及汽轮发电机组的安全运行，也可能会导致并网失败而跳闸。工程方曾采取一些措施来减小最小负荷不确定性的影响，但未能解决根本原因并消除不确定性的影响。

3. GRE并网最小负荷生成逻辑的不合理性

3.1 GRE最小负荷生成逻辑

在机组并网后，发电机所带的最小负荷是个范围值，即不确定量，与并网瞬间目标转速和汽轮机实际转速的偏差相关，并网过程中总蒸汽需求量的计算过程如下图所示。

总蒸汽需求量是转速控制回路蒸汽需求量与负荷控制回路蒸汽需求量之和，经阀门特性曲线换算成调节阀开度，直接控制阀门的开关。图中的蒸汽需求量5%和空载蒸汽需求量4%都是固定值，并网后由于死区投入且设置值较大，转速控制回路中的转速偏差蒸汽需求量变为0，并网后操纵员还未升功率时，功率控制回路也是0，所以导致并网最小负荷不确定的原因在于汽轮发电机实际转速与目标转速偏差在每次并网时不是固定值。

3.2 发电机并网原理

发电机并网必须具备的条件是：

（1）电压相等

（2）频率相等

（3）相位相同

（4）相序一致（相序一致已在初次接线时检验过，只要没有改动过，就可认为一致）

宁德核电发电机是通过同期装置判断同期条件满足后，选择最理想的时间发出合闸控制脉冲，闭合GSY负荷开关或GEW超高压断路器实现并网。同期装置能实时采集发电机侧和电网侧电压的幅值、频率和相位，同期装置和汽轮机控制系统之间设有增、减转速指令和同期允许等接口信号，从而自动调节发电机侧的电压、频率以满足上述并网条件。每一个增、减转速指令的脉冲对汽轮机转速设定值产生0. 6 r /min（0.04%）的调节量，此调节量在1500rpm基础上进行加减运算。并网过程中机组实际转速围绕目标转速周围波动如下图所示。

3.3转速偏差不确定的原因分析

从上述“实际转速围绕目标转速”图可以看出，汽轮发电机组的转速和电网的频率是动态变化的，所以发电机并网瞬间为了满足并网条件，汽轮发电机可能是在加速，也可能是在减速，从而导致每次并网的转速偏差蒸汽需求量可能为正，也可能为负。

3.4生成逻辑的不合理性

发电机并网后，迅速被拉入同步状态，发电机转速下降，动能减小，这部分动能即转化为发电机输出的有功。并网后，转速控制回路的目标转速会自动变为1500rpm，但由于存在频率调节死区，转速偏差控制回路不会起作用。而且并网瞬间转速控制回路的整定值并非是真实的需求转速，特别是GSY的调速需求脉冲发送频率较大时更明显，这个转速整定值只是为了给控制回路一个偏差输入量让阀门开大或关小，在整定值不断上调或下调的过程中发电机可能已经并网了。另外，因为电网的频率和发电机频率一直在波动，有可能不需要发电机转速变化就满足了并网条件。所以将并网瞬间的目标转速与汽轮发电机的转速偏差作为并网最小负荷的修正量没有任何意义。

4. 优化方案

4.1并网后投入闭环控制

为了避免最小负荷过大给机组带来较长时间的影响，运行人员在并网后立即投入负荷闭环控制。负荷闭环控制会使机组功率维持在当前值，从而稳定机组参数，目前宁德核电机组并网时均会采取此操作，已经写入并网操作单，实践证明是有效的。

4.2调整GSY发出调速脉冲的时间间隔

汽轮机发电机的调速需求来自于GSY，同期装置判断并网的频率条件不满足时就会调整汽轮发电机的转速，如果该调速需求发出的频率过快，将会出现转速整定值大范围波动，而实际转速跟不上整定值的变化。在此调节过程中，发电机可能已经满足同期条件实现了并网，并网瞬间转速整定值因之前波动较大而偏大或偏小，导致转速整定值与实际转速偏差较大，从而生成过大或过小的并网最小负荷。所以减小调速需求发出的频率可以减小转速整定值的变化范围，达到减小最小负荷变化范围的要求。宁德核电各机组实施此方案后，没有再出现过最小负荷过大的情况。

4.3优化最小负荷生成逻辑

虽然上述几种方案可以减小每次并网时最小负荷与5%FP的偏离量，但是仍然存在最小负荷不确定或偏低导致并网失败的问题。若要完全消除此问题，必须优化最小负荷生成逻辑，即将最小负荷中的“转速偏差蒸汽需求量”修改为一个固定的正值，这个固定的正值用来抵消中压缸调节阀的惯性环节及蒸汽做功需要一定时间所带来的影响，这样可以确保并网瞬间带的负荷是5%FP，同时增加自动投入闭环控制的脉冲信号即可保持并网后的机组稳定在5%FP，这个脉冲信号需增加一个阈值判断，只有大于一定值后才能投入闭环，防止并网瞬间意外出现负荷过低时过早投入闭环控制，使机组维持在一个过低的功率水平。

5. 结论

1) 并网瞬间实际转速高于设定值，会造成最小负荷偏小；实际转速低于设定值，就会造成最小负荷过大。按照目前的设计逻辑及优化措施，只能缓解影响，而无法消除影响。

2) 并网最小负荷的不确定性可能导致一回路过冷、违反运行技术规范或导致并网失败。因此，优化最小负荷生成逻辑是有必要的。

3) 调整GSY发出调速脉冲的时间间隔，能够减小最小负荷的变化范围。在机组完成并网后，立即投入功率闭环控制，有利于机组的迅速稳定。

4）转速偏差蒸汽需求量加入最小负荷生成逻辑是不合理的，应修改为一个固定的正值。

参考文献

[1] ABW17GRE016S40B45GN. 东方汽轮机有限公司编，2015.08.05.

[2] 宁德核电操纵人员取照必读. 作者：魏挺等. 福建宁德核电有限公司，2011.4.

[3] 宁德核电运行教程. 作者：魏挺等. 福建宁德核电有限公司，2011.4.

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